High speed response of GaAs/AlGaAs multiple quantum well asymmetric Fabry-Perot reflection modulator

H

i g h

s p

e e d

r e s p

o n

s e

o

f

G

a

A

s / A

l G

a A

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m

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q u a n t u m

w

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a s y m

m

e t r i c

F

a

b

r y

—

P

e r o t

r e f l e c t i o n

m

o d

u

l a t o r

M. N

awaz

Institute of Physics, Electronics Group, University of Oslo, Boks 1048 Blindera, 0316 Oslo, Norway.

B. T. O

lsen, K. M

cIlvaney

Norwegian Telecom Research P.O. Box 83. N —2007, Kjeller, Norway.

The results of the high speed response of GaAs/AlGaAs multiple quantum well (MQW) based on

asymmetric Fabry—Perot (ASFP) reflection modulator are presented. The measured 3 dB

electrical frequency reponse bandwidth of the modulator was 600 MHz at an applied voltage of

only 5 V at 854 nm wavelength. The contrast ratio of the modulator was 8.9 dB for a driving

voltage o f 13 V, at an operating wavelength of 862 nm.

1 . I n t r o d u c t i o n D u r i n g t h e l a s t f e w y e a r s , h i g h s p e e d e x t e r n a l m o d u l a t o r s b a s e d o n s e m i c o n d u c t o r q u a n t u m w e l l s t r u c t u r e s h a v e b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y . T h e s e i n c l u d e b o t h w a v e ­ g u i d e m o d u l a t o r s [ 1 ] , i n w h i c h t h e l i g h t p r o p a g a t e s i n t h e p l a n e o f t h e q u a n t u m w e l l l a y e r s , a n d s u r f a c e n o r m a l r e f l e c t i o n m o d u l a t o r s [ 2 ] , w h i c h a l l o w t h e p e r p e n d i c u l a r i l l u m i n a t i o n o f t h e l i g h t t o t h e q u a n t u m w e l l l a y e r s . T h e M Q W b a s e d m o d u l a t o r s e n h a n c e s h i f t s o f t h e a b s o r p t i o n e d g e d u e t o e x c i t o n i c p r o p e r t i e s t o w a r d a l o n g e r w a v e l e n g t h ( i . e . r e d s h i f t ) a s a n e x t e r n a l e l e c t r i c f i e l d i s a p p l i e d p e r p e n d i c u l a r t o t h e q u a n t u m w e l l l a y e r s , a p h e n o m e n a c a l l e d t h e q u a n t u m c o n f i n e d S t a r k e f f e c t ( Q C S E ) , [ 3 ] . T h e r e f l e c t i o n m o d u l a t o r s h a v e t h e a d v a n t a g e o f i m p r o v i n g t h e m o d u l a t i o n c o n t r a s t o v e r t r a n s m i s s i o n [ 4 ] m o d u l a t o r s , b y a d o u b l e p a s s [ 2 ] o f t h e i n c i d e n t l i g h t t h r o u g h t h e q u a n t u m w e l l s a n d a r e c o n s i d e r e d a s p r o m i s i n g c a n d i d a t e s f o r i m p l e m e n t i n g t w o d i m e n s i o n a l a r r a y s f o r o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n s o f i n t e g r a t e d c i r c u i t s a n d o p t i c a l c o m p u t i n g a p p l i c a t i o n s [ 5 ] , [ 6 ] . A F a b r y — P e r o t c a v i t y [ 7 ] , [ 8 ] m o d u l a t o r i s f o r m e d b y t h e i n t r o d u c t i o n o f h i g h l y r e f l e c t i n g l a y e r s ( m u l t i p l e q u a r t e r w a v e l e n g t h s t a c k s ) o n b o t h s i d e s o f t h e M Q W s t r u c t u r e , t o i n c r e a s e t h e o p t i c a l p a t h l e n g t h ( a n d t h u s c o n t r a s t r a t i o ) m o r e t h a n s i m p l e r e f l e c t i o n m o d u l a t o r s [ 2 ] . T o i m p l e m e n t t h e a s y m m e t r i c F a b r y — P e r o t c a v i t y , u n e q u a l m i r r o r s a r e u s e d . T h e a s y m m e t r i c F a b r y — P e r o t m o d u l a t o r s h a v e b e e n p r o p o s e d [ 8 ] , [ 9 ] t o p r o v i d e b o t h l o w i n s e r t i o n l o s s e s a n d h i g h c o n t r a s t r a t i o s , w i t h s u i t a b l e o p t i c a l b a n d w i d t h s . T h e p r i n c i p l e o f o p e r a t i o n o f A S F P

226

M.

N

a w a z

,

B. T.

O

lsen

,

K.

M

c

I

lv a n e y m o d u l a t o r s i s a s f o l l o w s : w i t h o u t c a v i t y l o s s , t h e o v e r a l l r e f l e c t i v i t y i s q u i t e h i g h ( i . e . o n s t a t e ) i f t h e b o t t o m m i r r o r r e f l e c t i v i t y i s m a d e c l o s e t o u n i t y a n d t h e t o p m i r r o r r e f l e c t i v i t y i s s i g n i f i c a n t l y l e s s . W i t h a p p l i e d f i e l d s , t h e i n c r e a s e d c a v i t y l o s s r e d u c e s t h e e f f e c t i v e r e f l e c t i v i t y f r o m t h e b o t t o m m i r r o r a t t h e t o p s u r f a c e , a n d t h e e f f e c t i v e r e f l e c t i v i t y f r o m t h e b o t t o m m i r r o r h a s a n e q u a l m a g n i t u d e t o t h e t o p m i r r o r r e f l e c t i v i t y , y i e l d i n g t h e o f f s t a t e . I n p r i n c i p l e , t h i s w i l l r e s u l t i n a h i g h c o n t r a s t r a t i o ( t h e o r e t i c a l l y i n f i n i t y ) a t l o w e r o p e r a t i n g v o l t a g e s . A m o n g v a r i o u s i m p o r t a n t i s s u e s i n t h e d e s i g n o f t h e A S F P s t r u c t u r e i s t h e n e e d t o a c h i e v e h i g h s p e e d o f r e s p o n s e . V a r i o u s h i g h s p e e d m o d u l a t o r s [ 2 ] , [ 1 0 ] u s i n g G a A s / A l G a A s M Q W s y s t e m , w h i c h u s u a l l y o p e r a t e s a t a b o u t ~ 8 5 0 n m h a v e b e e n d e m o n s t r a t e d , b u t l i t t l e o r n o a t t e n t i o n h a s b e e n d r a w n t o t h e h i g h s p e e d o f r e s p o n s e o f t h e A S F P m o d u l a t o r s . I n t h i s p a p e r , w e p r e s e n t t h e h i g h s p e e d p e r f o r m a n c e o f a n a s y m m e t r i c F a b r y — P e r o t r e f l e c t i o n m o d u l a t o r w i t h G a A s / A l G a A s M Q W a s a n a c t i v e r e g i o n . T h e m e a s u r e d 3 d B e l e c t r i c a l f r e q u e n c y r e s p o n s e b a n d w i d t h o f t h e m o d u l a t o r w a s 6 0 0 M H z , w i t h a d r i v e v o l t a g e o f o n l y 5 V , a t a n o p e r a t i n g w a v e l e n g t h o f 8 5 4 n m . T h e m e a s u r e d c o n t r a s t r a t i o o f t h e m o d u l a t o r w a s 8 . 9 d B f o r a d r i v i n g v o l t a g e o f 1 3 V , a t a w a v e l e n g t h o f 8 6 2 n m , w i t h a v e r y l o w i n s e r t i o n l o s s o f ~ 3 d B . 2 . D e v i c e l a y e r s t r u c t u r e T h e m o d u l a t o r l a y e r s t r u c t u r e w a s g r o w n b y m o l e c u l a r b e a m e p i t a x y ( M B E ) a t D e l a b i n T r o n d h e i m ( N o r w a y ) . I t c o n s i s t s o f 1 p m n - d o p e d b u f f e r l a y e r g r o w n o n t h e n - d o p e d G a A s s u b s t r a t e , f o l l o w e d b y a d i e l e c t r i c m i r r o r d e s i g n c o n s i s t i n g o f 2 0 p e r i o d s o f 2 . 8 3

A

n - t y p e A l A s a n d 2 5 . 4 4

A

n - t y p e G a A s . O v e r t h i s a r e 7 5 u n d o p e d m u l t i p l e q u a n t u m w e l l s ( M Q W ) c o n s i s t i n g o f a 9 6 . 1 1

A

G a A s w e l l b e t w e e n 5 9 . 3 8

A

A l G a A s b a r r i e r s . O n t o p o f t h i s , i s t h e 2 5 0

A

u n d o p e d A l G a A s b u f f e r l a y e r , f o l l o w e d b y p - d o p e d 4 5 5 6

A

A l G a A s l a y e r , a n d f i n a l l y , t h e r e a r e t w o c a p l a y e r s o f 1 0

A

a n d 4 0

A

p - d o p e d G a A s t o c o m p l e t e t h e P I N d i o d e s t r u c t u r e . F o r n - t y p e d o p i n g , S i w a s u s e d w i t h d o p i n g c o n c e n t r a t i o n ~ 1 x 1 0 1 8 c m - 3 , w h i l e B e w a s u s e d f o r p - t y p e d o p i n g c o n c e n t r a t i o n ~ 1 x 1 0 1 8 c m - 3 . A l l A l G a A s l a y e r s i n t h e s t r u c t u r e c o n t a i n 3 0 % o f A l . T h e b u f f e r l a y e r w a s u s e d t o s e p a r a t e t h e i n t r i n s i c r e g i o n f r o m a n y b a c k g r o u n d d o p i n g d i f f u s i o n . T h e s e m i c o n d u c t o r — a i r i n t e r f a c e f o r m s

In cid e n t lig h t

R, - 0.31

I

GaAs/AlGaAs

MQW

Rb = 0.96

GaAs s u b s tra te

Fig. 1. Schematic cross-section of the ASFP reflection modula­

tor with front mirror reflectivity (semiconductor—air interface)

R f

— 031, and back mirrors reflectivity (dielectric stacks)

t h e f r o n t m i r r o r , w h o s e r e f l e c t i v i t y i s 0 . 3 1 , w h i l e d i e l e c t r i c s t a c k s g r o w n o n t h e n - d o p e d G a A s s u b s t r a t e f o r m t h e b a c k m i r r o r , w h o s e r e f l e c t i v i t y i s 0 . 9 6 . T h e s t r u c t u r e i s l i k e a n a s y m m e t r i c F a b r y — P e r o t c a v i t y , b e c a u s e o f u n e q u a l f r o n t a n d b o t t o m m i r r o r r e f l e c t i v i t i e s . T h e d e v i c e w a s p r e p a r e d b y e t c h i n g m e s a s o f 2 2 0 p m c i r c u l a r d i a m e t e r , c o n n e c t e d t o a c o n t a c t p a d o f 1 0 0 p m s q u a r e d . T h e A u m e t a l w a s e v a p o r a t e d o n t o t h e s a m p l e a s p - o h m i c c o n t a c t a n d A u / G e / A u / N i / A u a s n - o h m i c c o n t a c t F i g u r e 1 s h o w s a s c h e m a t i c c r o s s - s e c t i o n o f t h e A S F P r e f l e c t i o n m o d u l a t o r . 3 . E x p e r i m e n t T o t e s t t h e q u a l i t y o f t h e P I N d i o d e m o d u l a t o r , I — V m e a s u r e m e n t s w e r e f i r s t p e r f o r m e d w i t h o u t i l l u m i n a t i o n o f t h e l i g h t , u s i n g H P 4 1 4 5 B s e m i c o n d u c t o r p a r a m e t e r a n a l y s e r . T h e r e v e r s e b r e a k d o w n v o l t a g e o f t h e d e v i c e w a s — 2 5 V a n d a d a r k c u r r e n t o f 4 . 3 a n d 1 0 n A w a s m e a s u r e d u n d e r a r e v e r s e b i a s v o l t a g e o f — 5 a n d — 1 0 V , r e s p e c t i v e l y . T h e d e v i c e w a s c o n n e c t e d t o t h e m i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o n l i n e t h r o u g h t h e A u b o n d e d w i r e , w h o s e l e n g t h w a s ~ 5 m m . T h e r e f l e c t i o n s p e c t r a o f t h e m o d u l a t o r w e r e m e a s u r e d u s i n g a w h i t e l i g h t s o u r c e i n t h e s p e c t r a l r a n g e f r o m 8 3 0 t o 9 0 0 n m . T h e d i r e c t i o n a l c o u p l e r ( G o u l d 1 3 6 1 9 3 ) a t t a c h e d t o i t , 1 m e t e r l o n g m u l t i m o d e f i b e r a t b o t h e n d s , w a s u s e d t o c o u p l e l i g h t f r o m t h e l i g h t s o u r c e a n d p e r p e n d i c u l a r i n c i d e n t o n t o t h e s a m p l e . T h e w a v e l e n g t h r e s o l u t i o n w a s i m p r o v e d u s i n g 0 . 1 m m s l i t , p l a c e d i n f r o n t o f t h e m o n o c h r o m a t o r ( J o b i n Y v o n H 1 0 ) i n t e r f a c e d w i t h a c o m p u t e r s y s t e m . T h e r e f l e c t ­ e d s i g n a l f r o m t h e m o d u l a t o r w a s d e t e c t e d u s i n g H P 8 1 5 3 0 A p o w e r s e n s o r , s e t a t a w a v e l e n g t h o f 8 5 0 n m , a n d t h e d a t a v a l u e s w e r e r e c o r d e d i n t h e d i g i t a l f o r m . T h e r e v e r s e D C b i a s p e r p e n d i c u l a r t o t h e q u a n t u m w e l l l a y e r s w a s a p p l i e d a t t h e i n p u t o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e f r o m t h e O l t r o n i x p o w e r s u p p l y ( 8 6 0 0 0 ) . T o e l i m i n a t e t h e e f f e c t s o f v a r i a t i o n s i n t h e m e a s u r e m e n t s y s t e m r e s p o n s e w i t h w a v e l e n g t h s , t h e b a c k g r o u n d n o i s e s i g n a l w a s f i r s t m e a s u r e d a n d s u b t r a c t e d f r o m t h e a c t u a l m e a s u r e d v a l u e s o f t h e r e f l e c t e d s i g n a l , a n d t h e r e s u l t w a s n o r m a l i z e d u s i n g t h e r e f e r e n c e s i g n a l . A l l t h e s e m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d a t r o o m t e m p e r a t u r e . T h e s p e e d o f r e s p o n s e o f t h e m o d u l a t o r w a s m e a s u r e d i n t h e f r e q u e n c y d o m a i n b e c a u s e o f c o n v e n i e n c e . A n A l G a A s l a s e r d i o d e w a s u s e d a s a l i g h t s o u r c e f o r t h e p e r p e n d i c u l a r i l l u m i n a t i o n o f l i g h t o n t o s a m p l e . T h e i n c i d e n t l i g h t w a s 1 1 m W , a n d s e t a t a w a v e l e n g t h o f ~ 8 5 4 n m . D i e m o d u l a t o r w a s d r i v e n b y a n R F s i g n a l f r o m t h e s i g n a l g e n e r a t o r w i t h a n u p p e r l i m i t o f 1 7 G H z , a p p l i e d a t t h e i n p u t o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e t h r o u g h a b i a s T , w h e r e a r e v e r s e D C b i a s o f - 5 V w a s s u p e r i m p o s e d . T h e R F s i g n a l w a s 1 a n d 2 V p p ( p e a k t o p e a k ) . T h e r e f l e c t e d s i g n a l w a s d e t e c t e d b y a n H P 8 3 4 1 0 A r e c e i v e r a n d i t s o u t p u t w a s c o n n e c t e d t o t h e s p e c t r u m a n a l y s e r t o o b s e r v e t h e m e a s u r e d f r e q u e n c y r e s p o n s e . T h e f r e q u e n c y r e s p o n s e s o f t h e r e c e i v e r , t h e c a b l e s , a n d t h e b i a s T w e r e s e p a r a t e l y c a l i b r a t e d t o e n h a n c e t h e a c c u r a c y o f m e a s u r e m e n t s . T h e c a l c u l a t e d c a p a c i t a n c e o f t h e d e v i c e w a s 4 . 8 p F , f o r 1 . 1 6 p m t h i c k M Q W r e g i o n w i t h a n a r e a o f 4 . 7 9 9 x 1 0 4 p m 2 o f t h e d e v i c e .

228

M.

N

a w a z

,

B. T.

O

lsen

,

K.

M

c

I

lv a n e y 4 . R e s u l t s a u d d i s c u s s i o n T h e r e s u l t s o f t h e r e f l e c t i o n s p e c t r a a r e p l o t t e d a n d p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 , w i t h a n d w i t h o u t b i a s . T h e p o s i t i o n o f t h e l i g h t h o l e ( l h ) a n d h e a v y h o l e ( h h ) e x c i t o n s a t z e r o b i a s i s m a r k e d a t ~ 8 4 2 a n d ~ 8 4 8 . 4 n m , r e s p e c t i v e l y . T h e F a b r y — P e r o t ( F P ) m o d e i s a l s o i n d i c a t e d a t ~ 8 6 0 n m . A n F P m o d e i s d e f i n e d a s t h e w a v e l e n g t h a t w h i c h t h e

Fig 2. Reflectivity spectra at different reverse biases

n e t r e f l e c t i v i t y o f t h e l o s s e s c a v i t y i s m a x i m u m T h e m o d e p o s i t i o n d e p e n d s o n t h e c a v i t y l e n g t h a s w e l l a s t h e r e f r a c t i v e i n d e x . T h e m e a s u r e d F W H M ( f u l l w i d t h h a l f m a x i m u m ) o f t h e h h e x c i t o n w a s ~ 4 n m w h i c h t e l l s a b o u t t h e q u a l i t y o f t h e m a t e r i a l u s e d . T h e s e p a r a t i o n o f t h e z e r o b i a s h h e x c i t o n f r o m t h e F P m o d e w a s ~ 1 1 . 6 n m . T h e z e r o b i a s s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e e x c i t o n ( h h ) a n d t h e F P r e s o n a n c e w a v e l e n g t h e f f e c t s b o t h t h e i n i t i a l v a l u e o f t h e r e f l e c t i v i t y a t t h e F P w a v e l e n g t h a n d t h e a b i l i t y t o r e d s h i f t t h e e x c i t o n w i t h a p p l i e d b i a s t o a c h i e v e a m i n i m u m i n r e f l e c t i v i t y d u e t o t h e i n c r e a s e d l o s s i n t h e c a v i t y . T h e n e t r e f l e c t i v i t y o f t h e A S F P m o d u l a t o r d e c r e a s e s w i t h a p p l i e d r e v e r s e b i a s e s , r e a c h e s i t s m i n i m u m v a l u e ( w h e r e t h e c a v i t y i s m a t c h e d ) a t — 1 3 V , a n d t h e n i n c r e a s e s a g a i n b e c a u s e o f d e c r e a s e d a b s o r p t i o n i n t h e M Q W r e g i o n d u e t o t h e Q C S E [ 3 ] . T h e l h a n d h h e x c i t o n s s h i f t t h e i r p o s i t i o n t o w a r d s h i g h e r w a v e l e n g t h s ( i . e . r e d s h i f t ) w i t h i n c r e a s i n g r e v e r s e b i a s . H o w e v e r , t h e l h e x c i t o n b r o a d e n s a n d l o o s e s i t s o s c i l l a t o r s t r e n g t h m o r e r a p i d l y t h a n t h e h h e x c i t o n . T h e h h h o l e e x c i t o n i s w e l l r e s o l v e d , a n d c o i n c i d e s w i t h t h e F P m o d e a t t h e F a b r y — P e r o t r e s o n a n c e a t — 1 3 V . O n c e t h e h h e x c i t o n p a s s e s t h e F P m o d e , i t r e a p p e a r s t o w a r d s h i g h e r w a v e l e n g t h w i t h i n c r e a s i n g b i a s ( i . e . a t - 1 6 V ) . T h e m e a s u r e d e n e r g y s h i f t o f

t h e h h e x c i t o n a t d i f f e r e n t r e v e r s e b i a s e s i s i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e t h e o r e t i c a l e n e r g y s h i f t [ 1 1 ] . T h e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h e h h e x c i t o n e n e r g y s h i f t a r e c o m p a r e d a n d p r e s e n t e d e l s e w h e r e [ 1 2 ] . T h e m e a s u r e d c o n t r a s t r a t i o ( d e f i n e d a s t h e r a t i o o f m a x i m u m r e f l e c t i v i t y a t z e r o b i a s t o t h e r e f l e c t i v i t y u n d e r c e r t a i n r e v e r s e b i a s ) w a s a b o u t 8 . 9 d B f o r a r e v e r s e b i a s o f — 1 3 V , a t a n o p t i m u m w a v e l e n g t h o f 8 6 2 n m a s s h o w n i n F i g . 3 . T h e m e a s u r e d c o n t r a s t r a t i o o f t h e

Fig. 3. Meaured contrast ratio as a function of wavelength

m o d u l a t o r w a s l i m i t e d b y t h e e x p e r i m e n t a l s e t u p a n d b a c k g r o u n d n o i s e w h i c h c a u s e d a s e v e r e r e d u c t i o n i n t h e r e f l e c t i v i t y m e a s u r e m e n t s . T h e i n s e r t i o n l o s s o f t h e d e v i c e w a s e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d t o b e e q u a l 3 d B a t 8 6 2 n m . T h e s e r e s u l t s a r e e n c o u r a g i n g f o r t h e s u b s e q u e n t d e v e l o p m e n t o f A S F P m o d u l a t o r s [ 7 ] , [ 8 ] f o r h i g h c o n t r a s t r a t i o s w i t h l o w i n s e r t i o n l o s s . T o d e t e r m i n e t h e s u i t a b i l i t y o f t h e d e v i c e f o r t h e s p e e d r e s p o n s e m e a s u r e m e n t s , t h e r e t u r n l o s s o f t h e d e v i c e w a s f i r s t m e a s u r e d ( u s i n g s w e p t n e t w o r k a n a l y s e r , H P 8 7 0 2 A ) , w i t h o u t i l l u m i n a t i o n o f t h e l i g h t , a n d p l o t t e d i n F i g . 4 . T h e f r e q u e n c y s c a n w a s f r o m 3 0 0 K H z t o 3 G H z . T h e r e t u r n l o s s o f t h e d e v i c e i s i n s e n s i t i v e ( a s e x p e c t e d ) o f t h e f r e q u e n c y . H o w e v e r , a s m a l l r e s o n a n c e o f — 5 d B a t 4 5 0 M H z w a s o b s e r v e d i n t h e r e t u r n l o s s d u e t o t h e m i s m a t c h e d i m p e d a n c e o f t h e d e v i c e a n d t h e t r a n s m i s s i o n l i n e . T h e r e s u l t s o f t h e f r e q u e n c y r e s p o n s e f o r a r e v e r s e b i a s o f 5 V , a n d a t a w a v e l e n g t h o f 8 5 4 n m a r e p l o t t e d a n d p r e s e n t e d i n F i g . 5 . T h e m e a s u r e d c o n t r a s t r a t i o f o r a r e v e r s e b i a s o f 5 V w a s ~ 2 . 1 d B a t 8 5 4 n m . W e d e c i d e d t o d r i v e t h e m o d u l a t o r a t l o w e r v o l t a g e ( i . e . 5 V ) t h a t c a n r u n a t s i m i l a r e n e r g y d e n s i t i e s t o g o o d e l e c t r o n i c d e v i c e s ( e . g . p r e s e n t T T L s y s t e m ) . F o r t h e i n t e g r a t i o n o f M Q W m o d u l a

-E l e c t r i c a l r e s p o n s e C d B ] 2 3 0 M . N a w a z, B . T . O lsen , K . M cIlv a n ey l o g M A G 2 d B / R E F 0 d B

START .300000 MHz

STOP 3000000 MHz

F i g . 4 . R e t u r n l o s t m e a s u r e m e n t o f t h e d e v i c e t o r s w i t h V L S I c i r c u i t s a s o p t i c a l i n t e r c o n n e c t o r s a s i g n i f i c a n t l y l o w e r o p e r a t i n g v o l t a g e i s d e s i r a b l e . T h e m e a s u r e d 3 d B e l e c t r i c a l f r e q u e n c y r e s p o n s e b a n d w i d t h o f t h e m o d u l a t o r w a s 6 0 0 M H z . T h e f r e q u e n c y r e s p o n s e b a n d w i d t h w a s i n d e p e n d e n t o f t h e d r i v i n g v o l t a g e ( i . e . 1 a n d 2 V p p ) . I f t h e m o d u l a t o r i s m o d e l l e d a s a s i m p l e R C s e r i e s c i r c u i t i n w h i c h t h e r e s p o n s e i s p r o p o r t i o n a l t o t h e v o l t a g e a c r o s s t h e c a p a c i t o r ( F i g . 6 ) , t h e n t h e f r e q u e n c y r e s p o n s e i s g i v e n b y : F R ( d B ) = - 1 0 l o g

(

1

)

f e = \ / 2 n R C ( 2 )

w h e r e R i s t h e s o u r c e r e s i s t a n c e ( 5 0 o h m ) a n d C i s t h e c a p a c i t a n c e ( 4 . 8 p F ) o f t h e d e v i c e . T h e r e s p o n s e o f t h i s e q u i v a l e n t c i r c u i t m o d e l i s a l s o p l o t t e d i n F i g . 5 . T h e m e a s u r e d 3 d B e l e c t r i c a l f r e q u e n c y r e s p o n s e b a n d w i d t h i s i n e x c e l l e n t a g r e e m e n t w i t h t h e f r e q u e n c y r e s p o n s e b a n d w i d t h o f t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t m o d e l · H o w e v e r ,

Fig. 6. Equivalent circuit o f the modulator

t h e s l o p e o f t h e m e a s u r e d f r e q u e n c y r e s p o n s e d r o p s r a p i d l y a t h i g h e r f r e q u e n c i e s t h a n t h a t o f t h e c a l c u l a t e d f r e q u e n c y r e s p o n s e f r o m t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t m o d e l · T h i s r a p i d d r o p i n t h e s l o p e o f t h e m e a s u r e d f r e q u e n c y i e s p o s e i s d u e t o t h e e x c e s s v o l t a g e d r o p a c r o s s t h e i n d u c t a n c e a s s o c i a t e d w i t h t h e l o n g b o n d i n g w i r e , w h i c h r e s u l t e d i n t h e r e d u c t i o n i n t h e v o l t a g e d r o p a c r o s s t h e c a p a c i t a n c e o f t h e d e v i c e . T o j u s t i f y t h i s , w e h a v e m o d e l l e d a n e w R L C s e r i e s c i r c u i t ( F i g . 7 ) , w h e r e L i s t h e c

Fig. 7. New circuit model for the frequency response

i n d u c t a n c e o f t h e b o n d i n g w i r e , R i s t h e s o u r c e r e s i s t a n c e a n d C i s t h e c a p a c i t a n c e o f t h e d e v i c e . T h e f r e q u e n c y r e s p o n s e o f t h e n e w c i r c u i t m o d e l i s ™ < d B , 0 1 T h e b e s t f i t o f t h e s i m u l a t e d f r e q u e n c y r e s p o n s e f r o m t h e n e w c i r c u i t m o d e l ( i . e . R L C ) i s a l s o p l o t t e d i n F i g . 5 . T h e b e s t f i t w a s o b t a i n e d u s i n g R = 5 0 f t , C = 4 . 8 p F , L = 7 . 7 n H . H o w e v e r , t h e i n d u c t a n c e o f t h e b o n d i n g w i r e u s e d i n t h e s i m u l a t i o n s i s ~ 5 8 % h i g h e r t h a n c a l c u l a t e d i n d u c t a n c e o f ~ 4 . 5 n H f r o m t h e t h e o r y [ 1 3 ] . T h e d e c a y i n t h e m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d f r e q u e n c y r e s p o n s e i s --- 4 0 d b / d e c a t h i g h e r f r e q u e n c i e s . S i n c e t h e r e s p o n s e o f t h e m a t e r i a l t o t h e a p p l i e d f i e l d v a r i a t i o n i s v e r y f a s t [ 1 4 ] ( i . e . < 1 p s ) a n d a l s o t h e m e a s u r e m e n t s y s t e m u s e d i n t h i s w o r k h a s a s p e e d o f r e s p o n s e m u c h f a s t e r t h a n t h e d e v i c e s p e e d , t h e r e f o r e t h e e l e c t r i c a l f r e q u e n c y r e s p o n s e b a n d w i d t h i s l i m i t e d b y t h e c i r c u i t c o n s i d e r a t i o n s s u c h a s t h e

232

M . N

a w a z

, В.

Т.

O

lsen

,

К.

M

c

I

lv a n e y c a p a c i t a n c e o f t h e d e v i c e a n d t h e i n d u c t a n c e o f t h e l o n g b o n d i n g w i r e . T h e i n d u c t a n c e o f t h e b o n d i n g w i r e c a n b e r e d u c e d b y u s i n g s h o r t b o n d i n g w i r e [ 1 5 ] ( i . e . < 1 m m ) . T h e c a p a c i t a n c e o f t h e d e v i c e c a n b e m a d e s m a l l b y m i n i m i z i n g t h e d e v i c e a r e a , i n c r e a s i n g t h e t h i c k n e s s o f t h e i n t r i n s i c r e g i o n a n d u s i n g a r e l a t i v e l y t h i c k p l o y m i d e l a y e r u n d e r t h e c o n t a c t p a d [ 1 5 ] . U s i n g t h e s e c o n s i d e r a t i o n s , t h e s p e e d o f t h e d e v i c e c a n b e i n c r e a s e d f u r t h e r , w h i c h i s t h e o b j e c t o f f u t u r e r e s e a r c h .

A c k n o w l e d g e m e n t s

— This research work was carried out at Norwegian Telecom Research (NTR),

P. O. Box 83. N —2007, Kjeller, Norway. The authors are grateful to P. L Jensen and G. Salmonson,

for designing and K. Johansen, for growing the modulator layer structure. We are also thankful to

T. Olsen for fruitful discussions and suggestions during this work.

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